[发明专利]纳米碳增强金属基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料技术领域的制备方法，具体是一种纳米碳增强金属基复合材料的制备方法。

背景技术

以碳纳米球、碳纳米片、碳纳米纤维、碳纳米管为代表的新型碳纳米材料具有优异的力学性能和物理特性，以之为增强体的纳米碳增强金属基复合材料，不但可以用作轻质高强的结构材料，而且还可用作导电、导热、耐磨、减振的功能材料，因此成为近年来研究开发的热点。但是由于纳米碳增强体之间存在很强的范德华力，极易产生团聚，导致纳米碳很难在以之为增强体的金属基复合材料中均匀分散。正是这个原因，粉末冶金、搅拌铸造、无压渗透等传统方法制备的纳米碳增强金属基复合材料，其性能远未达到预期的效果。另一方面，原位复合可以较好地解决纳米碳均匀分散的难题。

经过对现有技术文献的检索发现，中国发明专利“气相沉积原位反应制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法”(公开号CN 1730688A)，该技术先采用化学沉积沉淀法在金属粉末表面生成Ni(OH)₂，然后经高温煅烧、氢气还原得到金属纳米Ni催化剂；中国发明专利“超临界流体原位制备碳纳米管增强金属基复合材料的方法”(公开号CN 101234427)，该技术通过五羰基铁的高温分解在金属粉末表面生成纳米Fe催化剂。以上技术通过生成纳米金属催化剂，进而由碳源分子高温催化裂解在基体金属粉末表面原位生成纳米碳增强体，然后采用粉末冶金方法将所得复合粉末制成块体复合材料，较好地解决了纳米碳在金属基复合材料中的分散难题。但是共同的问题在于，(1)依赖碳源分子的高温裂解提供生成纳米碳增强体的碳原子，反应温度高；(2)依赖化学反应在金属粉末表面生成纳米金属催化剂，催化剂颗粒尺寸分散性大，纳米碳增强体的形态难以控制且生成效率较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种纳米碳增强金属基复合材料的制备方法。本发明利用卤代烃的脱卤反应原位生成纳米碳增强体，并通过在基体金属粉末的表面引入纳米金属粉末，促进纳米碳增强体形核，诱导和调控其生长形态，从而得到纳米碳增强体均匀分散的复合粉末，然后采用粉末冶金工艺，将所得复合粉末制成密实的纳米碳增强金属基复合材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明基于路易斯酸催化的卤代烃脱卤反应，在基体金属粉末的表面原位生成纳米碳增强体，并且通过在基体金属粉末表面引入的纳米金属粉末，促进纳米碳增强体形核，诱导和调控其生长形态。本发明可以制备纳米碳增强体均匀分布的复合粉末，进而通过致密化处理得到密实的纳米碳增强金属基复合材料。

本发明包括以下步骤：

(1)首先通过超声分散使基体金属粉末和纳米金属粉末在有机溶剂中均匀混合，得到金属粉末与有机溶剂的分散液；

(2)将以上金属粉末与有机溶剂的分散液、路易斯酸和卤代烃加入到反应容器中，加热加压到250-450℃和5-20MPa条件下反应0.5-5h，待冷却后分离出固形物进行洗涤干燥，即得到纳米碳增强体与金属的复合粉末；

(3)对以上纳米碳增强体与金属的复合粉末进行致密化处理，得到密实的纳米碳增强金属基复合材料。

所述基体金属粉末为Al、Cu、Mg、Ti及其合金粉末中的一至多种。

所述纳米金属粉末为Al、Cu、Mg、Ti、Fe、Co、Ni中的一至多种，粉末粒径为10-100nm。

所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、苯、甲苯及其混合物。有机溶剂的量随反应容器的大小变化，用于调控反应压力。有机溶剂、卤代烃和路易斯酸催化剂在优选的反应温度下均气化或升华为气体状态，从而构成一个均一的反应体系，有利于在基体金属粉末表面原位生成均匀分散的纳米碳增强体。

所述路易斯酸为金属卤化物，选自AlCl₃、FeCl₃、FeCl₂、CuCl₂、MgCl₂、ZnCl₂、SnCl₂中的一种至多种。

所述的卤代烃为卤代甲烷、卤代乙烷和卤代乙烯中的一至多种，如CCl₄、CBr₄、C₂Cl₆、C₂Br₆、C₂Cl₄和C₂Br₄中的一至多种。。